機器人生產線PLC自保護智能控制系統(tǒng)設計

0 引言

隨著科技的進步，基于ABB機器人協(xié)同工作的機電設備生產線應運而生，而且已經得到很好的發(fā)展與應用。工業(yè)機器人在碼垛、焊接、搬運和噴涂等領域有很強的技術優(yōu)勢，切實提高了生產效率，為生產帶來了極大的便利，但是隨之而來的安全問題也暴露了出來，工人被機器人擠壓、剮蹭等情況時有發(fā)生，設計更加簡潔高效智能的控制系統(tǒng)迫在眉睫。

吳公平設計了一種基于PLC控制的設備安全控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以監(jiān)測設備的運行狀況、自動檢測安全故障并進行快速處理。武曉雯等人[2設計了一種單目視覺安全輔助系統(tǒng)，可為機器人提供非接觸式安全預警，系統(tǒng)根據(jù)安全預警的范圍、安全策略的等級和圖像信息進行自動安全預判，為工業(yè)機器人控制系統(tǒng)提供有效的安全預警。孫英飛等人針對工業(yè)機器人安全輸入輸出接口控制系統(tǒng)，將安全接口電路系統(tǒng)分為IO接口系統(tǒng)和安全處理系統(tǒng)兩部分，完成安全邏輯保護功能、PMAC各I/O光電隔離處理和外圍通信控制功能設計。毛麗民等人4根據(jù)對居家安全隱患的分析，得到典型的安全隱患，通過傳感器對典型安全隱患進行監(jiān)測，利用GSM移動網(wǎng)絡來給居家主人發(fā)送危險信號短信，主人通過網(wǎng)絡技術完成特定安全隱患的預處理。

現(xiàn)階段對ABB機器人生產線智能控制系統(tǒng)的研究較多，但是在ABB機器人生產線PLC安全集成控制、自動智能、無線收發(fā)和人工自保護方面的研究還不夠深入。針對ABB機器人生產線，本文設計了一種自保護智能控制系統(tǒng)。

1自保護智能控制系統(tǒng)硬件設計

自保護智能控制系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩大方面的集成設計，其硬件接線如圖1所示。硬件方面包括西門子PLC、觸摸屏、無線手持報警器、聲光報警器、機器人回退硬中斷裝置、應急按鈕和監(jiān)控攝像頭等設備，其中聲光報警器包括ABB生產線事故現(xiàn)場聲光報警器和企業(yè)集控室聲光報警器。將主要硬件設備集中到一個控制柜，在生產車間，每個機器人生產線區(qū)域分布一個自保護智能系統(tǒng)控制柜，負責此區(qū)域的安全應急工作。

1.1 PLC和觸摸屏

本系統(tǒng)使用西門子CPU1214CDC/DC/DC作為控制器，選用西門子7寸觸摸屏TP700Comfort進行人機交互和畫面組態(tài)。系統(tǒng)輸入和輸出模塊要留有備用通道，方便后期的檢修維護和系統(tǒng)功能擴展。觸摸屏通過網(wǎng)線連接到PLC。

1.2無線手持報警器

無線手持報警器是自保護智能控制系統(tǒng)的核心部分，采用的是海鸚（PUFFINS）品牌的4路一對一固定式無線開關量收發(fā)裝置，型號為HK-FKGD40，便于攜帶，方便信號在企業(yè)車間范圍內傳輸。工人隨身攜帶無線手持報警器，在身處險境時，按下無線手持報警器，安裝在PLC上的無線接收裝置就會收到信號，對應的開關閉合，PLC的輸入端I0.0接通。

1.3 聲光報警器

聲光報警器主要發(fā)出聲音和閃光。當PLC的IO.0接通后，通過程序控制，PLC的輸出端Q0.0線圈得電，會在現(xiàn)場附近觸發(fā)ABB生產線事故現(xiàn)場聲光報警，警示周圍人員及時查看此區(qū)域的情況。同時，Q0.2線圈得電，遠傳到企業(yè)集控室，觸發(fā)集控室的聲光報警，從而通知運行值班人員查看監(jiān)控，并前往就地及時排查險情。

1.4 機器人回退硬中斷

以ABB機器人控制柜使用的板卡DSQC652為例，當PLC的I0.0接通后，通過程序控制，Q0.1線圈得電，將Q0.1的輸出通過24V中間繼電器的常開觸點送至DSQC652的輸入，使得機器人控制柜得到一個硬中斷輸入信號。通過該信號將機器人程序引入中斷程序，機器人可以自動記錄運動的起始點，然后智能判斷、自動回退，從而保護工人的生命安全。總之，被擠壓的工人通過手中的無線手持報警器便可控制機器人的回退，實現(xiàn)了自保護功能。

1.5 應急按鈕

智能控制系統(tǒng)控制柜應急按鈕布置情況如圖2所示，將所有應急按鈕集中到一個自保護智能控制柜中，便于快速應急處置。應急按鈕的設計可以有多種位置，但是工人因為能力和習慣的因素，很難記得周全，所以將所有應急按鈕集中到一個控制柜并注明功能非常有必要。

應急按鈕包括急停按鈕、機器人暫停按鈕和機器人抱閘釋放按鈕。急停按鈕可以實現(xiàn)該生產線的設備全部斷電。機器人暫停按鈕是直接引自機器人控制柜的暫停按鈕[5]，按下此按鈕可以暫停機器人運動且不斷電。機器人抱閘釋放按鈕直接引自機器人控制柜的抱閘釋放按鈕5，使用此按鈕，須一人托住機器人，另一人按下抱閘釋放按鈕，可以人為隨意改變機器人的姿態(tài)，從而解救被擠壓人員。

1.6 監(jiān)控攝像頭

視頻監(jiān)控是生產企業(yè)常規(guī)配置，智能控制系統(tǒng)把機器人工作區(qū)域的監(jiān)控單獨調出來，在集控室大屏幕上以32個畫面集中播放。智能控制系統(tǒng)區(qū)域的攝像頭具有畫面自動報警功能，如果有人經過機器人生產線危險區(qū)域，可以自動彈出畫面，呈現(xiàn)給盤前的操作人員，有助于操作人員的安全巡視。

1.7小結

生產企業(yè)的維修工作不允許單人作業(yè)，所以安全的把控首要的是工人自身安全水平的提高，其次是安全監(jiān)護人的監(jiān)護。企業(yè)應該加強安全培訓，不斷提高工人的安全技能和管理人員的管理水平。

自保護智能控制系統(tǒng)首要的是對無線手持報警器的使用，可以實現(xiàn)受機器人擠壓人員的自解救。其次是安全監(jiān)護人員對應急按鈕的輔助操作，可以起到協(xié)助解救的作用。監(jiān)控畫面的自動提醒無法做到十分精準的推送，容易導致看盤人員疲勞，繼而容易忽略報警信息，所以監(jiān)控攝像只是控制系統(tǒng)的輔助。其他措施比如光柵、圍欄、警示標志等也起到了較好的輔助作用。

2 自保護智能控制系統(tǒng)軟件設計

自保護智能控制系統(tǒng)采用博圖TIAPortal軟件編寫梯形圖程序，博圖軟件不僅適合S7-1200系列PLC程序的編寫和仿真，而且可以進行觸摸屏的畫面仿真。

自保護智能控制系統(tǒng)程序主要包括無線手持報警器信號輸入檢測程序、聲光報警程序和自保護（機器人智能判斷自動回退）程序，如圖3和圖4所示。程序通過調試，編譯下載至S7-1200PLC即可自動運行。

在圖3中，當無線手持報警器信號輸入時，延時時間1s（為了防止誤碰發(fā)生錯誤的報警，所以設定了1s的延時）后，中間繼電器M11.0線圈得電，觸發(fā)報警程序。在圖4中， Q0.0～Q0.2 線圈也同時得電，觸發(fā)機器人回退硬中斷程序并發(fā)出聲光報警。

ABB機器人得到PLC送來的回退硬中斷信號以后，通過智能判斷，記錄當前運動起點和指令修正，實現(xiàn)自動回退運動。

3 L 自保護智能控制系統(tǒng)仿真結果

自保護智能控制系統(tǒng)采用觸摸屏7寸精智版本進行畫面組態(tài)仿真，主要分為操作按鈕區(qū)、事故觸發(fā)定時計時區(qū)和報警顯示區(qū)域三個部分，具體仿真畫面如圖5所示。

3.1 報警觸發(fā)結果仿真

報警觸發(fā)結果如圖6所示。按下無線手持報警器信號輸入按鈕，1s后，定時器計時顯示值顯示“ +1 ”，證明有人按下了無線手持報警器超過1s，從而觸發(fā)報警程序。報警顯示區(qū)域會顯示三個紅燈信號：ABB生產線事故現(xiàn)場聲光報警提醒現(xiàn)場周圍人員及時排查處置險情；觸發(fā)機器人回退硬中斷用紅燈模擬，表明PLC輸出了機器人回退硬中斷信號；企業(yè)集控室聲光報警亮紅燈，提醒集控室人員及時排查處置險情。

3.2 報警復位仿真

收到聲光報警到達現(xiàn)場的人員處理完險情后，按下ABB生產線就地復位按鈕，報警顯示區(qū)域的第一個和第二個紅燈熄滅，代表聲光報警復位和機器人回退信號復位完成。企業(yè)集控室人員處置完險情前后，均可按下企業(yè)集控室聲光報警復位按鈕，將報警顯示區(qū)域的第三個紅燈熄滅，代表企業(yè)集控室聲光報警復位完成。復位后，定時器計時顯示值顯示4 +0 ”。最終報警復位后的結果如圖5所示。

3.3 應急按鈕仿真

智能控制系統(tǒng)控制柜上的三個應急按鈕采用的是實際的操作按鈕，急停按鈕實現(xiàn)系統(tǒng)斷電，相當于電源總閘，無須仿真。為了防止另外兩個按鈕出現(xiàn)故障，在觸摸屏上也添加了兩個相同功能的應急按鈕（機器人暫停按鈕和機器人抱閘釋放按鈕）作為備用，并注明了使用方法。按下機器人暫停按鈕，可以實現(xiàn)機器人暫停且不斷電。按下機器人抱閘釋放按鈕，工人可以隨意調節(jié)機器人的形態(tài)。

觸摸屏仿真結果表明，自保護智能控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)相應的功能。

4結束語

該機器人生產線PLC自保護智能控制系統(tǒng)通過硬件設計、軟件編程和觸摸屏仿真，實現(xiàn)了ABB機器人生產線的自保護智能控制功能；通過對應急按鈕的集成，提高了突發(fā)事故的處理速度；通過無線手持報警器和機器人智能自動回退的設計，實現(xiàn)了工人自我解救，保障了工人人身安全；加上聲光報警和監(jiān)控的輔助設計，降低了人工巡視的力度，避免了出現(xiàn)事故無人發(fā)現(xiàn)的不良情況。該系統(tǒng)可以通過一個控制柜實現(xiàn)對整個廠房所有機器人生產線的安全控制，減少了PLC和觸摸屏的使用數(shù)量，成本低、控制智能、實用性強，便于推廣應用。

[參考文獻]

[1]吳公平.基于PLC的機械設備安全控制系統(tǒng)設計［J].內燃機與配件，2024（4）：72-74.

[2]武曉雯，劉赫，高鐵洪.工業(yè)機器人單目視覺安全輔助系統(tǒng)設計[J].哈爾濱理工大學學報，2022，27（3）：90-96

[3]孫英飛，羅愛華，徐亮.基于工業(yè)機器人安全I/0接口控制系統(tǒng)設計[J].中國新技術新產品，2015（19）：1-2

[4］毛麗民，盧振利，王晨希，等.家居安全隱患的智能機器人多傳感器控制系統(tǒng)設計[J].機床與液壓，2015，43（9）：42-45.

[5]張春芝，鐘柱培，張大維.工業(yè)機器人操作與編程[M].2版.北京：高等教育出版社，2022.

[6]延龍，石憲紅，張凱麗，等.基于PLC的小車自動配料控制系統(tǒng)設計[J].機電信息，2023（6）：17-20.